Development of Bidirectional Series Elastic Actuator with Torsion Coil Spring and Implementation to the Legged Robot

📄 arXiv: 2409.15791v1 📥 PDF

作者: Yuta Koda, Hiroshi Osawa, Norio Nagatsuka, Shinichi Kariya, Taeko Inagawa, Kensaku Ishizuka

分类: cs.RO

发布日期: 2024-09-24

备注: 6 pages

💡 一句话要点

开发基于扭力螺旋弹簧的双向串联弹性驱动器，并应用于腿式机器人

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 串联弹性驱动器 螺旋弹簧 双向力测量 单腿机器人 冲击吸收 能量再利用 PD控制

📋 核心要点

  1. 现有机器人关节在灵活性、安全性和能量效率方面存在不足，难以应对人机交互环境中的意外扰动。
  2. 本研究提出一种基于螺旋弹簧的小型轻量化SEA，通过巧妙的弹簧固定方式，实现双向高精度力测量和冲击吸收。
  3. 实验结果表明，配备该SEA的单腿机器人可以通过简单的PD控制实现灵活着陆和连续跳跃，验证了其减震和能量再利用的有效性。

📝 摘要（中文）

本研究致力于开发用于机器人关节的串联弹性驱动器(SEA)，因其在灵活性、安全性和能量效率方面的优势。SEA能够稳健地处理意外扰动，这提高了人们对其在人机交互环境中的实际应用期望。同时，用于室内娱乐应用的小型机器人的开发和商业化也在积极进行中。通过在这些机器人中使用SEA，可以实现跳跃和跑步等动态运动。本研究开发了一种小型轻量化的SEA，使用螺旋弹簧作为弹性元件。通过设计一种固定螺旋弹簧的方法，可以在简单的结构中吸收冲击，并在两个旋转方向上进行高精度的力测量。为了验证所开发的SEA的有效性，我们创建了一个小型单腿机器人，并在髋部、膝部和踝部的三个关节中实现了SEA，并进行了跌落测试。通过调整每个关节的初始姿势和控制增益，我们证实了通过简单的PD位置控制可以实现灵活的着陆和连续跳跃。测量结果表明，SEA在减震和能量再利用方面是有效的。这项工作仅用于研究目的。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人关节在灵活性、安全性和能量效率方面存在不足，尤其是在人机交互等复杂环境中，难以有效吸收冲击和处理意外扰动。此外，小型娱乐机器人需要实现跳跃、跑步等动态运动，对关节的性能提出了更高的要求。

核心思路：本研究的核心思路是利用串联弹性驱动器(SEA)的固有特性，即通过在电机和关节之间串联一个弹性元件，来实现力控制和冲击吸收。特别地，论文关注于小型化和轻量化，并针对螺旋弹簧的固定方式进行了创新设计，以实现双向高精度力测量。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分：1) 设计并制造基于螺旋弹簧的SEA；2) 开发一种用于固定螺旋弹簧的结构，使其能够吸收冲击并在两个旋转方向上进行高精度的力测量；3) 将该SEA应用于单腿机器人的髋部、膝部和踝部三个关节；4) 通过跌落测试和连续跳跃实验，验证SEA的性能；5) 使用简单的PD位置控制算法控制机器人的运动。

关键创新：该论文的关键创新在于螺旋弹簧的固定方法，该方法能够在简单的结构中实现双向高精度的力测量，并有效吸收冲击。这种设计使得SEA更加紧凑和轻量化，更适合应用于小型机器人。

关键设计：关于螺旋弹簧的固定方法的具体细节，论文中没有详细描述。实验中，通过调整每个关节的初始姿势和PD控制器的增益，来优化机器人的运动性能。具体的参数设置和损失函数没有提及，网络结构也未涉及，因为采用的是传统的PD控制。

📊 实验亮点

该研究通过实验验证了所开发的SEA在减震和能量再利用方面的有效性。通过调整单腿机器人的初始姿势和控制增益，实现了灵活的着陆和连续跳跃。虽然论文中没有给出具体的性能数据和对比基线，但实验结果表明，该SEA能够有效地吸收冲击，并在一定程度上实现能量回收，从而提高了机器人的运动性能。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于小型娱乐机器人、人机协作机器人、外骨骼等领域。通过使用该SEA，机器人可以实现更灵活、更安全的运动，并能够更好地适应复杂环境中的扰动。此外，该SEA的能量再利用特性有助于提高机器人的续航能力，使其在实际应用中更具优势。未来，该技术有望推动机器人技术在娱乐、医疗、康复等领域的广泛应用。

📄 摘要（原文）

Many studies have been conducted on Series Elastic Actuators (SEA) for robot joints because they are effective in terms of flexibility, safety, and energy efficiency. The ability of SEA to robustly handle unexpected disturbances has raised expectations for practical applications in environments where robots interact with humans. On the other hand, the development and commercialization of small robots for indoor entertainment applications is also actively underway, and it is thought that by using SEA in these robots, dynamic movements such as jumping and running can be realized. In this work, we developed a small and lightweight SEA using coil springs as elastic elements. By devising a method for fixing the coil spring, it is possible to absorb shock and perform highly accurate force measurement in both rotational directions with a simple structure. In addition, to verify the effectiveness of the developed SEA, we created a small single-legged robot with SEA implemented in the three joints of the hip, knee, and ankle, and we conducted a drop test. By adjusting the initial posture and control gain of each joint, we confirmed that flexible landing and continuous hopping are possible with simple PD position control. The measurement results showed that SEA is effective in terms of shock absorption and energy reuse. This work was performed for research purposes only.